新型蚀刻技术提高了金属3D打印粉末的吸收率

在金属增材制造的一项重大进展中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员及其学术合作伙伴开发了一种技术，可以提高3D打印中使用的金属粉末的光学吸收率

研究人员表示，这种方法涉及在金属粉末上创建纳米级表面特征，有望提高印刷金属部件的效率和质量，特别是对于铜和钨等具有挑战性的材料

增材制造（AM）-更常见的是3D打印-改变了产品的设计和生产方式，允许创建传统制造方法难以实现的复杂几何形状和定制组件

然而，激光粉末床熔化（LPBF）金属3D打印的一个持续挑战是某些金属的高反射率，这可能会导致打印过程中能量吸收效率低下，甚至会损坏一些打印机。研究人员表示，这种效率低下往往导致打印质量不足和能耗增加

在《科学进展》杂志9月刊封面上发表的一项研究中，由LLNL、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的科学家领导的团队正面解决了这个问题，他们引入了一种新型的湿化学蚀刻工艺，可以改性传统金属粉末的表面。通过创建纳米级凹槽和纹理，研究人员报告说，他们将这些粉末的吸收率提高了70%，从而在激光熔化过程中实现了更有效的能量传递

“目前，对于标准的商用激光机器，高质量的纯铜金属AM通常被认为是不可行的，”LLNL材料科学家Philip DePond说。“我们的方法结合了传统表面处理的效果[提高了吸收率]，但不会损害铜的纯度或材料特性，即其高导热性和导电性。

”更重要的是，我们表明激光-粉末相互作用延伸到熔池以外的区域。这在模拟中得到了证明，特别是在LLNL进行的高保真模拟中，但在实验中并没有真正详细说明。我们证明了这些相互作用是存在的，并且对这一过程有益。“

研究人员表示，湿法蚀刻技术相对简单，但非常有效。该团队将铜和钨等金属粉末浸入特殊配制的溶液中，选择性地从表面去除材料。

这一过程形成了复杂的纳米级特征，增强了粉末吸收激光的能力。为了表征蚀刻粉末的表面特征，研究人员采用了先进的成像技术，包括同步辐射X射线纳米断层扫描，该技术提供了粉末颗粒的详细3D表示，使团队能够分析和准确模拟纳米级改性的电磁影响。

该团队进行了广泛的实验，以证明并归因于改性粉末吸收率增加的机制。使用LLNL先进制造实验室定制的LPBF系统进行了工艺优化研究，并最终进行了批量和复杂样品打印tory和MIRILIS激光材料相互作用实验室

研究人员表示，提高金属粉末的吸收率是降低制造业能耗的一个有前景的进步，特别是在对更可持续和高效的制造工艺的需求持续增长的情况下

该团队的一个关键发现是，他们可以使用较低的能量输入打印高纯度的铜和钨结构，铜的能量输入小于100 J/mm3，这大约在高密度钛和不锈钢合金的范围内，钨的能量输入为700 J/mm3左右，比通常使用的能量低约1/3

DePond解释说：“从广义上讲，我们能够在不损坏AM系统本身的情况下打印铜。”。“工艺参数窗口也变得更宽，这允许探索更广泛的扫描条件，这在打印复杂几何形状时经常需要。最后，少数机器制造商甚至不遗余力地创造了全新的机器来加工铜和其他高反射材料。这些成本几乎是传统机器的两倍，因此打印这些材料的进入门槛非常高。”

这些发现的潜在应用可能会对生产产生直接影响。研究人员表示，用更少的能源进行打印的能力不仅降低了运营成本，还最大限度地减少了制造过程对环境的影响，并为铜3D打印开辟了全新的生产队伍

能源安全计划负责人Dan Flowers表示：“这种方法甚至可以使激光功率相当低的商用机器打印铜，从而使这一过程民主化，并为更广泛的社区提供机会。”他补充说，他希望这项工作将使工业在先进制造业中更好地利用铜。Flowers说：“从热交换到催化，更高效的铜打印支持了许多清洁能源和脱碳技术的发展。”。“LLNL社区和我们的低碳能源使命将从这种能力中受益。”

增强的吸收率和改进的粉末动力学也可以生产出相对密度更高的高质量印刷零件。在他们的实验中，与其他印刷铜部件相比，研究人员以一半的能量输入实现了高达92%的相对密度，以更高的能量实现了99%以上的相对密度。这表明有可能生产出更坚固、更耐用的金属部件

该团队接下来将研究纳米纹理对粉末元素混合的影响，例如通常需要截然不同能量才能熔化的材料 More information: Ottman A. Tertuliano et al, High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp0003

Journal information: Science Advances